風力發(fā)電用VSG的比較研究

0 引言

　　隨著風力發(fā)電裝機容量的不斷增大，很多國家的電力系統(tǒng)運行導(dǎo)則對風電機組的低電壓穿越能力做出了規(guī)定[1-2]，目前針對雙饋型和直驅(qū)型風電系統(tǒng)低電壓穿越功能的研究非常多[3-5]；研究過程中需要模擬各種類型的電壓跌落故障[6]，通常是由電壓跌落發(fā)生器（Voltage Sag Generator，VSG）來實現(xiàn)的。文獻[7]對風力發(fā)電中常用的VSG實現(xiàn)方法進行了總結(jié)分析，基于變壓器形式的VSG 結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，容易提高功率等級；基于電力電子變換形式的VSG，則功能強大。文獻[8]基于單相自耦變壓器和固態(tài)繼電器（SSR）實現(xiàn)了一種低成本單相VSG，但是受繼電器物理特性的限制，開關(guān)動作時間較長，在電壓跌落及恢復(fù)處可能出現(xiàn)電壓中斷的情況。文獻[9]基于變壓器和由晶閘管構(gòu)成的雙向開關(guān)實現(xiàn)了一種低成本的VSG，可以獲得良好的電壓銜接，但是由于晶閘管的半控特性，只能實現(xiàn)輸出電壓在過零點的跌落及恢復(fù)，無法精確控制電壓跌落的相位，對于兩相或三相電壓跌落，存在跌落時刻不同步的問題，其應(yīng)用存在一定的局限性。

　　本文首先討論了基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG 及基于全功率變流器的VSG的工作原理，基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG 可以選擇使用繼電器、晶閘管或IGBT 構(gòu)成雙向開關(guān)，構(gòu)建了實驗樣機，對幾種不同的實現(xiàn)方法進行了比較研究，分析并通過實驗對比了幾種方案的優(yōu)缺點。

1 基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG工作原理

　　電網(wǎng)電壓跌落是最為常見的電力系統(tǒng)故障之一，電壓跌落故障的類型和比例為：單相對地故障70%，兩相對地故障15%，相間故障10%，三相故障5%；因此，需要用電壓跌落發(fā)生器模擬這些故障類型，以驗證變速恒頻風電機組的LVRT功能。

　　圖1 是基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG 拓撲結(jié)構(gòu)圖，核心部件為變比可調(diào)的自耦變壓器及雙向開關(guān)，圖1（a）為單相結(jié)構(gòu)，圖1（b）為三相結(jié)構(gòu)，圖1（c）、（d ）、（e ）為不同的雙向開關(guān)[10]。基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG 輸入為單相或三相交流電，通過改變單相或三相自耦變壓器的變比及控制雙向切換開關(guān)，可以在負載側(cè)得到需要的電壓跌落波形，并能實現(xiàn)能量的雙向流動。以a 相為例說明，正常運行時，a 相中Ha 通路雙向開關(guān)導(dǎo)通，輸出正常電壓，當電壓跌落發(fā)生時，a相中La 通路雙向開關(guān)導(dǎo)通，輸出跌落的電壓。通過手動調(diào)節(jié)變壓器的變比，可以得到跌落至0的輸出電壓；通過VSG控制器控制雙向開關(guān)，可以得到期望的電壓跌落時間。對于三相結(jié)構(gòu)，分別控制a、b、c三相的切換開關(guān)，可以得到單相、兩相或三相跌落電壓，輸出端可以適應(yīng)單相或三相負載。

　　圖1（a）與圖1（b）所示的VSG 拓撲結(jié)構(gòu)中，雙向開關(guān)器件選擇圖1（c）所示的接觸器或繼電器，功率可以做到很大，但是由于接觸器、繼電器等自身結(jié)構(gòu)的原因，動作時間難以精確控制[6]，使用中可能會出現(xiàn)短暫的電壓中斷，并且可能會產(chǎn)生較大的電壓和電流尖峰，這對風電系統(tǒng)的測試很不利，極有可能損害電機絕緣和電力電子器件，同時接觸器等器件使用壽命有限，易受環(huán)境影響，因此此類VSG可以選擇使用電子開關(guān)，如圖1（d）所示的雙向晶閘管或者圖1（e）所示的由全控器件IGBT構(gòu)成的雙向開關(guān)。

　　采用由晶閘管構(gòu)成的雙向開關(guān)，具有開關(guān)速度快、動作無噪音、無火花、壽命長、耐振動、抗沖擊、可靠性高等優(yōu)點，可以有效解決使用繼電器作為雙向開關(guān)時存在的一些問題。但是由于晶閘管是半控型器件，電壓的切換只能發(fā)生在輸出電壓或電流的過零點，故不能對電壓跌落的相位進行控制，因而較為適合圖1（a）的單相結(jié)構(gòu)，三相VSG如果采用晶閘管作為雙向開關(guān)，對兩相或三相跌落故障，存在各相間電壓跌落發(fā)生及恢復(fù)不同步的問題，會給風電機組LVRT功能的測試造成一些問題。采用由IGBT構(gòu)成的雙向開關(guān)可以較好地解決以上問題，因為IGBT 為全控型器件，可以方便地實現(xiàn)快速開通及關(guān)斷，能夠?qū)﹄妷旱涞南辔贿M行精確控制，可以適應(yīng)單相或三相VSG結(jié)構(gòu)，可以得到任意組合的單相、兩相或三相跌落電壓。

2 基于全功率變流器的VSG工作原理

　　圖2 是基于全功率變流器的VSG 拓撲結(jié)構(gòu)圖，采用DSP作為控制器，可以產(chǎn)生所需要的各種電壓跌落故障波形。電網(wǎng)電壓經(jīng)過雙PWM 全功率變流器對被測試設(shè)備供電，三相PWM 整流器控制輸入功率因數(shù)、保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定[11]，通過對三相PWM 逆變器的控制可以產(chǎn)生所需要的任意波形，模擬電網(wǎng)電壓的各種故障，如電壓跌落、閃變、過電壓、欠電壓、三相不對稱故障、諧波等[12]，針對電網(wǎng)電壓跌落，可以方便地控制電壓跌落深度、持續(xù)時間、相位和跌落的類型，同時雙PWM 變流器可以實現(xiàn)能量雙向流動，因而這種方法能適應(yīng)不同故障條件下風電系統(tǒng)測試的需求。

　　基于全功率變流器的VSG，通常采用IGBT作為功率器件，與基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG比較，具有體積小、重量輕、功能更強大等優(yōu)勢；但是控制復(fù)雜，成本較高，而且IGBT等器件自身抵抗電網(wǎng)故障時電壓、電流沖擊的能力有限，可靠性不夠高，因此一般局限于實驗室和小功率范圍內(nèi)使用。

　　目前國內(nèi)外對這種方案的研究很多，也已經(jīng)有實際的產(chǎn)品，但是價格很昂貴，從成本和可靠性角度考慮，基于全功率變流器的VSG 不是優(yōu)選方案。

3 實驗結(jié)果

　　3.1 基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG 實驗結(jié)果

　　根據(jù)前面所述基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG的工作原理，構(gòu)建了實驗樣機，變壓器采用三相自耦變壓器，雙向開關(guān)分別使用接觸器、晶閘管和IGBT，控制器采用DSP，對使用三種雙向開關(guān)的情況進行了實驗對比。對分別使用接觸器和IGBT的VSG 進行了三相跌落實驗，由于使用晶閘管的VSG進行了三相跌落時存在不同步的問題，因此對使用晶閘管的VSG只進行了單相跌落實驗。

　　圖3 是采用接觸器作為雙向開關(guān)的三相VSG跌落實驗波形，Ch1 為a 相輸出電壓，Ch2 為b 相輸出電壓（圖中顯示值與真實值的關(guān)系為1:70）。

　　圖3（a）為空載兩相跌落波形，電壓跌落發(fā)生及恢復(fù)處波形比較連續(xù)；圖3（b）為帶載單相跌落波形，可見電壓跌落發(fā)生及恢復(fù)處都存在一段時間的電壓中斷，在電壓恢復(fù)時有較大的電壓尖峰，這是由于接觸器的動作時間較慢，難以對開通和關(guān)斷的時刻進行精確控制，在正常運行與故障運行之間進行切換時，兩通路的接觸器存在同時關(guān)斷的時間，造成了輸出電壓的中斷，同時由于變壓器漏感的存在，會在切換時形成較大的電壓尖峰，可能會對被測試設(shè)備產(chǎn)生不良影響。

　　圖4 是采用晶閘管作為雙向開關(guān)的單相VSG跌落實驗波形，圖4（a）中Ch1為電壓跌落控制信號，圖4（b）中Ch1 為帶阻性負載時的輸出電流波形，Ch2為輸出電壓波形。圖4（a）顯示了電壓跌落控制信號和輸出電壓波形，當?shù)浒l(fā)生時，輸出電壓有效值從220 V 跌至22 V，跌落至額定電壓的10%左右，電壓在過零點銜接的很好，沒有出現(xiàn)電壓中斷、電壓尖峰等，跌落持續(xù)時間為300 ms；跌落控制信號為低有效，可以看到跌落啟動時控制信號Q1 產(chǎn)生一個下降沿，之后輸出電壓的過零點，電壓發(fā)生了由高到低的切換，實現(xiàn)了電壓跌落；同樣恢復(fù)時控制信號Q1 的上升沿產(chǎn)生之后，輸出電壓在過零點發(fā)生由低到高的切換，實現(xiàn)了電壓恢復(fù)。當?shù)浒l(fā)生及恢復(fù)時，輸出電壓銜接較好，過零點沒有電壓畸變，也沒有出現(xiàn)電壓中斷電壓尖峰等，相對圖3輸出波形質(zhì)量有很大改善，但是切換均發(fā)生在電壓或電流的過零點，因此對三相VSG會出現(xiàn)相間跌落不同步的問題。

　　圖5 是采用IGBT 作為雙向開關(guān)的三相VSG跌落實驗波形，對15%-200 ms 電壓跌落情況進行實驗，圖中Ch1 為跌落控制信號（圖中顯示幅值即為真實值），跌落控制信號為高有效，Ch2、Ch3、Ch4 分別為a、b、c 三相輸出相電壓（圖中顯示值與真實值的關(guān)系為1:40）。圖5 中分別給出了單相跌落、兩相跌落、三相跌落及三相跌落局部放大的實驗波形，從實驗波形看，輸出電壓可以有效響應(yīng)跌落控制信號，輸出電壓波形跌落及恢復(fù)處銜接良好，沒有電壓中斷、尖峰等問題，可以對電壓跌落發(fā)生及恢復(fù)的時刻進行控制；調(diào)節(jié)變壓器變比，可以方便地得到需要的電壓跌落深度，可以靈活地得到任意相及持續(xù)時間的電壓跌落。相對以上兩種雙向開關(guān)方案，使用IGBT作為雙向開關(guān)，既能獲得良好的輸出電壓波形，又能方便地模擬各種類型的電壓跌落故障，同時又具有變壓器形式的VSG 的優(yōu)勢，控制簡單，能夠為驗證風電機組的低電壓穿越能力提供了更為有利的試驗條件。

　　3.2 基于全功率變流器的VSG實驗結(jié)果

　　根據(jù)前面所述基于全功率變流器的VSG 的工作原理，構(gòu)建了實驗樣機，雙DSP 控制，功率器件采用IGBT，電網(wǎng)側(cè)變流器用來實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)控制及穩(wěn)定直流側(cè)電壓，負載側(cè)變流器用來實現(xiàn)電壓跌落。

　　圖6 為基于全功率變流器的三相VSG 跌落實驗波形，Ch1、Ch2、Ch4 分別為a、b、c 三相輸出電壓，圖6（a）與圖遠（b）分別對應(yīng)跌落50%和15%。從波形中可以看到，跌落發(fā)生時三相電壓過渡比較平滑，但是存在一定的波動，電壓跌落深度較大時，電壓波動更嚴重一些；在電壓恢復(fù)時刻，某相電壓會出現(xiàn)尖峰，并且隨電壓跌落深度的增加，尖峰的幅值也有變大的趨勢。需要對控制進行優(yōu)化來解決這些問題?；谌β首兞髌鞯腣SG控制靈活，功能強大，可以方便地模擬各種類型的電網(wǎng)電壓跌落故障，還可以模擬其他類型的電網(wǎng)電壓故障，反應(yīng)速度快，能夠滿足不同測試場合的需求，但是成本較高，控制復(fù)雜。

4 結(jié)語

　　本文對基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG 及基于全功率變流器的VSG 進行了實驗對比，基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG 可以選擇繼電器、晶閘管或IGBT構(gòu)成雙向開關(guān)。采用繼電器作為雙向開關(guān)的VSG，由于受接觸器、繼電器等器件物理特性的限制，動作時間較慢，實現(xiàn)電壓跌落時可能會出現(xiàn)電壓中斷、電壓尖峰等，會對被測試設(shè)備產(chǎn)生不良影響；采用晶閘管作為雙向開關(guān)的VSG，電壓跌落波形銜接良好，但是只能在電壓或電流過零點實現(xiàn)切換，適合于單相VSG，應(yīng)用于三相VSG 時會出現(xiàn)相間切換不同步的問題；采用全控器件IGBT作為雙向開關(guān)的VSG，可以方便地模擬單相、兩相或三相電壓跌落故障，可以實現(xiàn)跌落相位的精確控制，并能獲得輸出電壓的良好銜接，電壓跌落及恢復(fù)處沒有出現(xiàn)電壓中斷、電壓尖峰等。基于全功率變流器實現(xiàn)的VSG功能強大，但是控制復(fù)雜，自身抗電壓、電流沖擊能力有限，可靠性低。因此，從以上多種VSG實現(xiàn)方案的比較中，基于變壓器和可控器件IGBT構(gòu)成的雙向開關(guān)實現(xiàn)的VSG是優(yōu)選方案。